發(fā)布時(shí)間：2024/3/3 10:50:40
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超聲成像（USI）和光學(xué)成像（OI）傳感器因其簡(jiǎn)單、安全及高成本效益，非常適合傳感器融合應用。將USI與各種OI模式（如光聲成像、光學(xué)相干斷層掃描、熒光成像和白光成像等）結合使用可以提供互補的信息，提高疾病診斷和監測的靈敏度及特異性，同時(shí)最大限度地減少每種模式單獨使用時(shí)的缺點(diǎn)。然而，目前仍存在兩個(gè)主要障礙：一是在同一封裝中無(wú)縫集成USI和OI模式，二是保持每種模式的最佳性能。
利用透明超聲換能器（TUT）或透明光學(xué)探測器可以克服外形尺寸挑戰，實(shí)現USI和OI的無(wú)縫集成。但現有研究的TUT聲學(xué)性能不如傳統的不透明超聲換能器（OUT）。已有報道通過(guò)透明聚焦光學(xué)傳感器展示了高質(zhì)量的多尺度光聲成像，但其光學(xué)傳感器無(wú)法生成超聲圖像。
制造聲學(xué)性能媲美OUT的實(shí)用TUT需要三個(gè)先決條件：（1）聲阻抗為7~9 MRayl（1 Rayl = 1 Pa·s·m?¹ = 1 kg/(m²·s)）的透明前匹配材料，以最大限度地提高傳輸效率；（2）超過(guò)5 MRayl的透明背襯材料，以通過(guò)平衡電學(xué)和聲學(xué)Q因子來(lái)消除振鈴（ringdown）；（3）所有層之間的牢固連接，沒(méi)有導致超聲換能器品質(zhì)降低的間隙。
第一個(gè)先決條件，前匹配層確保了穩定而高的水傳輸壓，尤其是在雙匹配結構中與聲阻抗為2~3 MRayl的純聚合物一起使用時(shí)。在此，研究人員的目標是利用由7.5 MRayl第一層和2.36 MRayl第二層組成的雙匹配層來(lái)實(shí)現平坦的高增益。背襯材料的聲阻抗要求平衡了聲學(xué)和電學(xué)Q因子。鑒于正面規格，聲阻抗為7.2 MRayl的背襯材料可以實(shí)現最佳帶寬。在具有類(lèi)似設計的超聲換能器中，通常會(huì )采用5~6 MRayl的聲阻抗，這樣既不會(huì )使Q因子嚴重失衡，又能提高靈敏度。本研究也希望采用略低的聲阻抗，因此采用了共振中心聲阻抗為6.1 MRayl的雙層襯底結構。該設計采用了一個(gè)3.8 MRayl的匹配層，以增加背面的有效聲阻抗，同時(shí)又不損失透明度。
為確保各層之間的牢固連接，相比聲波波長(cháng)，粘合間隙應最小。消除粘合間隙最有效的方法是將匹配的背襯材料用作粘合劑，并直接固化在粘合面上。因此，本研究旨在創(chuàng )造一種粘度適合粘合劑粘合的材料。100 McPs的粘度被認為是上限，因為粘度較高的材料很難在表面上均勻澆注或鋪展。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，韓國浦項科技大學(xué)的研究人員在Nature Communications期刊上發(fā)表了一篇題為“An ultrasensitive and broadband transparent ultrasound transducer for ultrasound and photoacoustic imaging in-vivo”的文章。為了同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)要求，研究人員利用實(shí)驗和模擬設計了一種配方，以提供所需要的聲學(xué)、流變學(xué)和光學(xué)特性。本研究所提出的粘合劑SiO?/epoxy復合材料具有優(yōu)化的光學(xué)透明度、聲阻抗和流動(dòng)性?；谶@些創(chuàng )新，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種寬帶（63%帶寬）超靈敏TUT，同時(shí)保持了光學(xué)透明度（>80%）。
此外，研究人員還將這種高性能TUT應用于活體動(dòng)物和人體的全集成雙模顯微超聲成像和光聲成像系統。通過(guò)利用所開(kāi)發(fā)的TUT，該高清晰度、高對比度超聲成像和光聲成像系統實(shí)現了前所未有的性能：兩種模式的成像深度均超過(guò)15 mm，超聲成像的軸向分辨率達到了32.6 μm（相當于深度分辨率比>500），光聲成像的軸向分辨率達到了40.4 μm（相當于深度分辨率比>370）。這一重大進(jìn)步實(shí)現了真正的雙模超聲成像和光聲成像，首次同時(shí)提供了高清晰度的超聲成像和光聲成像。研究人員相信，這項研究成果為T(mén)UT設計樹(shù)立了新標桿，并將推動(dòng)傳感器融合技術(shù)的發(fā)展。
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